50年時間 只夠做個實驗看隔震橡膠“變老”

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  周福霖院士團隊

    ●周福霖院士帶領下的廣州大學工程抗震研究中心技術團隊，成立于1994年，團隊成員有國家“千人計劃”特聘教授一人，海外留學歸國人員多名，團隊以具有博士學位的中青年為主。

    ●抗震中心主持完成國家自然科學基金和省、部級科研項目多項，為我國工程隔震技術的發展和步入世界前列作出了重大貢獻，也使廣州大學工程抗震研究中心地位在國內外同行中產生重大影響。

    ●廣州大學工程抗震研究中心先后成為廣東省、廣州市地震工程與應用技術重點實驗室，工程抗震減震與結構安全教育部重點實驗室，隔震減震控制與結構安全國家重點實驗室(培育)，廣東省高校隔震減震控制與抗震工程技術研究中心的依托單位，并獲得中國計量認證(CM A)資質。

    15米高的實驗室里，深圳地鐵前海段隔振裝置實驗轟隆作響，快到屋頂的“小蠻腰”縮微鋼架、粗大的港珠澳大橋橋墩以及各種超高建筑模型擺得滿滿當當，76歲的中國工程院院士周福霖健步其中，準備去查看一項設計時長為5 0年、已經進行了15年的隔震材料老化實驗……隔震減震控制與結構安全國家重點實驗室藏身廣州廣園中路248號，世界聞名的新型隔減震體系就在這里不斷創新發展。

    周福霖團隊與相關單位為港珠澳大橋完成了隔震減震設計研究，在橋墩上部安裝了隔震減震裝置，使這條跨海大橋再也不怕大地震的突然襲擊。

    處事低調的國際隔震消能減震控制學會主席周福霖，說起投身工程抗震減隔震領域的40多年時光，語氣平和得仿佛在談論外頭略顯炎熱的天氣。

    日本“3·11”地震中完好的建筑

    廣州大學已經搬離廣園中路248號足足10年，但周福霖帶領的廣州大學工程抗震研究中心仍“蝸居”在這里。頭發花白的周福霖院士坐在辦公室里，語音輕柔，講起日本朋友薛教授在日本“3·11”大地震中的經歷：

    2011年3月11日下午兩點多，薛教授在一棟隔震的醫院大樓牙科診所修牙，修好牙已經3點多。下樓才發現滿街的人都在跑，這才知道發生了大地震。他趕緊沖回位于28樓的家里，一眼就看見新買的一瓶葡萄酒完好無損，家里的東西也都沒有滑落。

    牙科診所和薛教授家所在的大樓，都安裝了隔減震裝置；日本仙臺近50棟隔減震建筑，包括高于100米的超高層，在這次強震中均完好無損，表現驚人。

    隔震技術是40多年來世界各國(包括中國)地震工程的重大創新成果之一，其科學技術體系的創立、理論研究、試驗研究、示范工程和今天的迅猛應用發展，傾注了各國科學家的畢生心血。其中就包括我國工程院院士、廣州大學工程抗震研究中心主任周福霖教授。

    對周福霖來說，隔減震技術是他在1976年唐山大地震現場調查中受到啟發成形的。唐山大地震后第3天，周福霖來到95%建筑被毀的唐山，一片廢墟中有兩棟4層磚樓屹立未倒，僅沿著地面滑動了約40多厘米，墻體下面一層柔軟的防水油毛氈救了兩棟樓里400多人。

    周福霖從滑動的房屋中找到了靈感。“如果只給建筑做抗震，很多時候扛不住，必須有新的思路”。隨后出國留學的周福霖，在1982年與導師一起做了一個隔震房屋地震震動臺模擬試驗，把四層樓的房屋模型放在震動臺上，下面做一層隔震層。輸入地震波，發現不隔震的房屋劇烈搖晃，遇強震就被破壞，隔震的房屋卻能承受9級或更大的地震。

    所謂隔震，就是在房屋和地面之間，加一層橡膠和鋼板隔層疊加的隔震支座柔軟層，通過延長結構自振周期，避開地面振動共震區，從而隔離地震，能使隔震結構地震反應衰減至非隔震結構的1/4至1/8，成倍提高建筑的耐震安全性。

    通俗點說，仿佛柔軟的水托著海上行駛的船，地震中，船體與震動的海面之間隔著柔軟的水層，船體只會慢慢搖擺，加在船體的地震沖擊力被卸去。

    周福霖帶著隔減震新技術回國，來訪的聯合國工業發展組織有關專家知道后，1989年聯合國工發組織正式撥款立項，要求周福霖在中國為世界各國建造隔震住宅示范工程。1993年，在廣東汕頭市建成我國第一棟橡膠支座的8層隔震住宅，這是當年世界最高、面積最大的隔震住宅樓，還建了同樣的8層對照抗震樓。

    次年臺灣發生地震，地震中，隔震樓在橡膠隔震層上緩慢搖擺，將地震反應降至很低，房屋結構在地震中保持彈性，沒有任何損壞，只是輕微擺動，居住者幾乎沒有感覺；而抗震房屋激烈晃動，有人還跳樓逃生，導致傷亡。聯合國工發組織在汕頭召開國際會議，向世界各國推廣了這種技術，稱之為“世界隔震技術發展的第三個里程碑”。

    近年來，周福霖發表的300多篇學術論文和三本創新性專著，改變著我國的結構設計方法：從單純采用抗震，改為抗震與隔震減震雙管齊下，使我國在隔震領域處于世界前列。

    防震方面“世界上最安全的跨海大橋”

    5年前，即將開始設計的港珠澳大橋工程組和設計團隊，與廣州大學周福霖團隊一起，對這座世界上最長的有地震斷層穿過的跨海大橋，采用隔減震技術，解決抗震設計難題。

    在擁擠的實驗室里，港珠澳大橋橋墩模型的底部布滿細小裂紋，這是橋墩模型被放在地震振動臺上進行地震波沖擊試驗時留下的。真正建設中的港珠澳大橋橋墩位于海底，一旦出現這些裂紋將極難修復，也威脅大橋的安全。

    周福霖帶著團隊，經過詳細計算分析，將隔震層設置在橋墩頂部。地震來臨時，橋墩和橋梁之間是柔軟的，產生的地震力大概只有原來的1/3。

    “8級地震不怕，9級地震也不怕，這種設計將抗震級別提高了好幾倍，實驗中甚至將抗震級別提高到4倍”，周福霖稱，經過隔震保護的港珠澳大橋，在防震上可以稱得上是“世界上最安全的跨海大橋”。

    如今，橋墩上都已經安裝了隔震支座。每個橋墩頂分開兩個挑梁，挑梁上安裝著不同類型的隔震裝置，包括橡膠隔震支座、盆式摩擦滑板隔震支座等。

    除了港珠澳大橋，周福霖團隊針對我國將要大量建設的近海橋梁地震破壞機理，都提出有效的解決方案。如論證中“一帶一路”通過的川滇疆藏地區跨河大橋、瓊州海峽跨海通道、渤海灣海峽跨海通道等。

    目前，隔減震技術已在我國5000多棟房屋和350座橋梁上應用。

    給北京故宮和西安碑林加“活動地毯”

    周福霖院士的電腦中，保存著許多張尼泊爾古建筑倒在地震中的照片。被稱為“千寺之城”的加德滿都，12座世界文化遺產在今年的地震中被毀，諸多古跡被夷為廢墟。他很感慨，如果這些珍貴的文物事先加過隔震裝置，應該能在世上留存更久，至少能扛過這次8.1級地震。

    一生與地震過招的周福霖更從中看到教訓：“對于已有的建筑，尤其是學校和醫院，還有古文物建筑，一定要有較強的保護意識，要進行防震加固。”

    周福霖團隊從故宮博物院、西安碑林博物館的珍貴文物進行加固保護，在珍貴文物下加裝一層隔震層，這是現代隔震技術在國內文物地震保護中的首次應用。

    周福霖團隊在故宮擺放的珍貴瓷器等文物底部，設計了特別高效的隔震裝置。西安碑林以前沒有防震裝置，有些在地震中倒了，有的甚至摔壞，周福霖也選了一些珍貴的碑和雕像加裝特別高效的隔震層，“要使我國珍貴文物在特大地震下不倒不壞、完好無損。”

    負責監測廣州地震數據的廣州市地震監測指揮中心，2000年就加了隔震層。而新建成的廣東科學館本身抗震能力很強，但里面的模型、設備和儀器也將采用隔震技術。

    2008年汶川地震時，四川和貴州的酒廠也受了很大破壞，地震一來，堆積存放的酒釀大壇“嘩”一聲，全部都倒了。周福霖的團隊最近為知名酒廠的珍貴酒釀罐也做了隔震，在大壇下安置橡膠隔震墊，無論多大地震，都能保護這些酒廠的“酒種子”不被破壞。

    去年2月，住建部發通知在全國推廣隔震技術，云南等省市要求醫院、學校、指揮中心和交通樞紐強制使用隔減震技術。

    地震時室內比室外還安全的小學

    在各種公共建筑中，隔震對醫院和學校尤為重要。2013年蘆山地震后，四川雅安蘆山縣人民醫院院長曾對周福霖說：“全縣所有醫院都癱瘓了，就剩這棟隔震樓成了急救中心。如果沒有這棟隔震樓，災后沒有地方急救，后果真是不堪設想。”

    他所說的這棟在蘆山地震中屹立不倒的蘆山人民醫院門診樓，由澳門援建，興建之初由廣州大學做了隔震分析設計。但因為時間來不及，只有一棟門診樓做了隔震，另外兩棟做了抗震設計。

    2013年7級地震后，隔震的門診樓里從天花板、儀器設備到人員都完好無損，沒進行隔震的住院樓卻房體開裂，儀器設備都倒了。83個隔震橡膠支座，使蘆山縣人民醫院門診部成為震后全縣的急救中心。

    蘆山地震考驗的另一座隔震建筑，是汶川第二小學。2008年汶川地震后，新建的汶川第一小學沒進行隔震設計，第二小學則做了隔震防護。7級蘆山地震前，第二小學的老師告訴學生：“地震來時你們不要往外跑，房間里面比外面還安全，因為我們的樓房是隔震的。”

    安裝了隔震裝置的汶川第二小學教學樓在地震中慢慢擺，直至度過地震波的沖擊。震后，安裝在兩個小學內的監測設備顯示，兩所學校的地震中房屋水平加速度反應大概相差6倍。

    目前，日本正規的建筑結構幾乎都要采用隔減震技術。我國已經建好但防震能力不足的大量醫院、學校等建筑，面臨后期加固的難題，周福霖團隊提出采用隔震技術進行加固，例如可在首層或采取挖地下室的辦法加裝隔震墊。

    地下室本身對抗震沒有作用，但地下施工既不影響學生上課，也不妨礙患者看病。在地下室頂上、臨近首層的地方加裝隔震層，給老建筑加了一道防震安全鎖。

    周福霖團隊還關注到農民的簡易住房。這些簡易農民房在地震中不堪一擊，歷史記載，我國死亡超20萬人的大地震，分別在山西洪洞、陜西華縣、寧夏海原、河北唐山發生過，每次房倒屋塌死傷慘重。“房子對農民的意義很重要，震倒了，他們找不起設計院，也找不到施工單位，更沒辦法將吊車開過去蓋房，他們的房子怎么做抗震？”

    于是，他們專為農民開發研制了便宜簡單的彈性隔震塊。隔震塊20厘米長、15厘米高。農民買回家，平好地后在所有承重墻下拼一層，然后壘磚，自己建房都可以實現隔震。周福霖團隊幫農民算了一筆賬，彈性隔震塊每平方米50元，200平方米的新建住房，政府補貼有一萬元，足夠支付做隔震的成本。

    為世界面積最大候機樓鋪隔震設施

    近幾年，周福霖團隊致力“層間隔震”和“三維隔震”新技術體系的理論研究和工程應用，成果被用在國內多項工程。其中，世界上面積最大的“層間隔震”住宅群———28棟9層的北京通惠家園，房屋抗震安全性提高4倍，這項創新成果獲2010年國家科技進步二等獎。

    新建成的全國第四大飛機場———昆明新機場，意識到了防震的重要性。周福霖團隊為整個昆明新機場航站樓鋪設了隔震墊，達50萬平方米。這種大跨復雜結構的應用，使昆明新機場航站樓成為目前世界上最大的單體隔震建筑。

    整個機場落在橡膠隔層之上，就像一條河流上的船只，橡膠隔層承托著機場在震動中輕輕搖擺或滑動，不會受到倒塌或損壞的威脅。

    周福霖團隊在我國開發的隔震新技術，還將迎接新的挑戰，北京正在籌建中的新國際機場，已經決定在世界面積最大的候機樓下面全部鋪設隔震設施。

    “他們要在大地震時做到四重保護，確保結構安全，確保候機樓里天花板等非結構裝修安全，確保里邊人的安全，確保內部設備儀器不掉落，航運功能不中斷。”周福霖介紹，北京新建機場的隔震面積將達到70萬平方米，為世界面積最大。

    剛從加拿大進修回來的陳洋洋博士，正忙著為某城地鐵做隔減震實驗，給一塊隔震墊加9.5噸的力，隔震墊緩緩地輕微移動。這段地鐵上面都是商場，他們希望隔震同時減輕地鐵對商場的振動影響。這種技術將應用于地鐵甚至高鐵，它能有效降低列車的振動和噪聲，也減少列車傳到周圍的環境振動。

    如今，周福霖團隊正與有關單位合作，忙于核電站、高鐵，地鐵等的隔減震試點準備工作，準備開始試點工程，并對已建工程加裝隔震裝置。

    周福霖的書桌上，放著他正在主持編寫的我國第一本《建筑隔震設計規范》(2014- 2015)國家標準。十年前曾寫過的規范條文，已經無法滿足現在的隔震設計需要，添加了加固建筑、村鎮建筑、核電站隔震等內容，填補著國內的空白。

    他期待兩年后在廣州大學城，一個27米高的新實驗室將落成，新的地震震動臺和各種先進隔減震試驗研究設備，將會成為國內外人才聚集、創新技術合作交流的新平臺。

    轟隆作響的實驗室里，周福霖安靜地注視著高高的橡膠老化實驗裝置。15年來，被加壓的橡膠變形不到3毫米，“這種實驗急不來，2050年我已經不在了，不過后面接力的研究人員會看到實驗的結果”。

    最新成果

    ●主持973項目“近海重大交通工程地震破壞機理及全壽命性能設計與控制”，針對我國將要大量建設的近海橋梁地震破壞機理，提出有效的解決方案。

    ●主持“國家自然科學基金資助項目———《強震作用下高速鐵路橋梁損傷破壞及全壽命性能設計與控制》”，保證高鐵在特大地震中的安全，確保高鐵正常運行。

    ●主持“國家自然科學基金重大研究計劃-集成項目-大型結構非線性災變過程控制理論”項目，解決我國重大工程結構在地震作用下的破壞機理，提出解決方案。

    ●主持“《港珠澳大橋橋梁隔震設計工程項目》應用型研究”項目，使大橋的地震響應降低至1/3。

    策劃：任天陽 王海軍 田霜月

    統籌：馮巧 陳實 薛冰妮 賀蓓

    采寫：南都記者 陳顯玲

    實習生 衛佳銘 劉彤丹 吳榮奎

    攝影：南都記者 黎湛均

    出品：南方都市報科學新聞工作室